الرئيسية / بحث علمي / انتاج الطاقة من مياه الصرف الصحي

انتاج الطاقة من مياه الصرف الصحي

مياه الصرف الصحي بما تحمله من ملوثات قد اضحت مشكلة جادة في المجتمعات المدنية لما تسببه من مشاكل صحية وبيئية. غالبا ما تتم المعالجات الكيميائية والبايولوجية لهذه المواد وطرح الناتج من المعالجة الى مياه الانهار او الطمر الصحي دون الحصول على فائدة اقتصادية بل على العكس, تكلفات اقتصادية تتكلفها الحكومات المحلية والمؤسسات البيئية المتنفذة علة عمليات المعالجة البيئية. في تسعينات القرن الماضي, ظهرت تقنية جديدة تولد الكهرباء من مياه الصرف الصحي وذلك بالاستناد على مبدأ عمل خلايا الوقود Fuel Cells (FC)  ليظهر ما يسمى خلايا وقود مكيروبية Microbial Fuel Cells (MFC). انتاج الطاقة من خلايا الوقود الميكروبية لا تتطلب تولد كميات من غاز ثنائي اوكسيد الكربون بل تعتمد اساسا على تفاعلات الكتروكيمياوية بمساعدة خلايا بكتيرية دقيقة Microorganisms.

مبدأ عمل خلايا الوقود بصورة عامة يستند عل مبدأ فرق التركيز Mass transfer control , بحيث تتولد الكهرباء عندما يصبح فرق بتركيز الاوكسجين بين قطبي الخلية . حيث يكون الكاثود غني بالاوكسجين ويكون الانود غني با لالكترولايت الخالي من الاوكسجين ويفصل بينهما غشاء مبادل ايوني Proton Exchange Membrane (PEM). فعندما تنتقل البروتونات من الآنود الى الكاثود تنتقل الالكترونات من البروتونات من الآنود الى الكاثود كذلك في الدائرة الخارجية مولدة تيار كهربائي كما مبين في الشكل التالي:

ان خلايا الوقود الميكروبية MFC تعمل بالضبط نفس مبدأ عمل خلايا الوقود التقليدية او يمكن القول انها إحدى انواع خلايا الوقود التي تستخدم محلول ميكروبي كألكترولايت بحيث يكون قطب الانود في محلول ميكروبي خالي من الاوكسجين ويكون الكاثود ماء غني بالاوكسجين وبين شقي الخلية اما غشاء تبادل البروتوني PEM او جسر ملحي اختياري النفاذية حيث تتحرك البروتونات والالكترونات بنفس المقدار والاتجاه لكن عكس الدورة كما موضح بالشكل التالي:

ميكانيكية عمل خلايا الوقود الميكروبية تتلخص باكسدة المادة العضوية (خلايا ميكروبية وجزيئات المخلفات العضوية) لأنتاج عدد من الالكترونات التي تنتقل في دائرة كهربائية الخارجية لغرض توليد تيار كهربائي مستمر  وانتاج ايونات الهيدروجين (البروتونات) بالمناظرة التي تنتقل عبر الغشاء الى الكاثود لتدمج مع غاز الاوكسجين المتوفر في الكاثود لأنتاج الماء بوجود الالكترونات السالكة عبر الدائرة الكهربائية الخارجية ويمكن توضيح العملية بالتفاعلات الالكتروكيمياوية التالية:

وهنا يتضح ان الخلايا الميكروبية محددة بمحددات معينة وهي تجهيز الاوكسجين لقطب الكاثود, الخلايا الميكروبية القابلة للأكسدة, طبيعة الدائرة الكهربائية الخارجة وكيفية سير الالكترونات فيها ونفاذية غشاء التبادل الايوني. بالإضافة هناك تحديات يجب ان تؤخذ بالاعتبار لكي يتم استخدام هذه التقنية على نطاق واسع في الاشغال البلدية وهي اعتبارات تصميمية تشغيلية كالأضطرابات على شقي الخلية ومقاومة PEM.

الجدير بالذكر ان الدراسات السابقة كما جاء في الورقة البحثية التي نشرتها شارما ولي 2010 Sharma and Li 2010 , ان هناك علاقة طردية بين كمية الاوكسجين و كمية الطاقة المتولدة مع اعتبار وجود محددات اعلاه. كما تم توضيح محددات هذه التقنية في دراسة اخرى سنة 2008 بواسطة مجموعة Chen et al.. ان الدراسات ما زالت مستمرة في مجال الخلايا الميكروبية لغرض تطويرها لتكون ذو فائدة للمجتمع المدني وذلك باستخلاص اعظم كفاءة طاقة باستخدام مختلف التقنيات التي تهدف الى تقليل مقاومة الغشاء الايوني والجسر الملحي ومنها تقنية النانو واشباه الموصلات الفائقة والبوليمرات الموصلة المتقدمة وغيرها. فلن تعد المياه المتخلفة شيء لا قيمة منه بل ممكن ان تكون مصدر هام لتوليد الطاقة والمحافظة على البيئة بتقليل استهلاك الوقود الاحفوري الذي يولد كميات ضخمة من غاز ثاني اوكسيد الكربون والانبعاثات الغازية السامة.

المصادر:

Y. Sharma, B. Li, The variation of power generation with organic substrates in single-chamber microbial fuel cell ) SCMFCs), Bioresource. Technol. 101 (2010) 1844–1850.

G.W. Chen, S.J. Choi, T.H. Lee, G.Y. Lee, J.H. Cha, C.W. Kim, Application of biocathode in microbial fuel cells: cell performance and microbial community, Appl. Microbiol. Biot. 79 (2008) 379–388.

عن fsesr

شاهد أيضاً

شهادتين لنماذج صناعية تضاف إلى إنجازات جمعية المستقبل لدراسات وبحوث الطاقة

حصول  السيد رئيس جمعية المستقبل لدراسات وبحوث الطاقة الاستاذ المساعد الدكتور حسن شاكر مجدي ومجموعة …